T¹p chÝ KTKT Má - §Þa chÊt, sè 38/4-2012, tr.44-48<br />
<br />
KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI QUAN<br />
TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÁC TUYẾN ĐẬP THỦY ĐIỆN<br />
NGUYỄN VIỆT HÀ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất<br />
Tóm tắt: Bài báo có nội dung khảo sát việc thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang các tuyến đập<br />
thủy điện bằng công nghệ GPS. Đã đề xuất biện pháp thiết kế, thành lập lưới GPS một cấp để quan<br />
trắc dịch chuyển với việc ứng dụng thuật toán bình sai tự do để thiết kế và đánh giá độ chính xác các<br />
yếu tố trong luới.<br />
<br />
1. Đặt vấn đề<br />
Hiện nay ở nước ta lưới quan trắc công<br />
trình thủy điện thường được thực hiện theo<br />
công nghệ đo đạc mặt đất. Vì nhiều lý do, công<br />
nghệ GPS mặc dù đã được ứng dụng hiệu quả<br />
trong nhiều lĩnh vực trắc địa, nhưng vẫn chưa<br />
được triển khai ứng dụng cho mục đích quan<br />
trắc biến dạng công trình. So với công nghệ đo<br />
đạc mặt đất thì công nghệ GPS có một loạt<br />
những ưu điểm nổi bật như: cho phép lựa chọn<br />
đồ hình lưới linh hoạt, có điều kiện lựa chọn các<br />
điểm khống chế ở những vị trí ổn định, không<br />
cần thông hướng, không hạn chế về điều kiện<br />
thời tiết, thời gian thi công.... Vì vậy, việc<br />
nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để quan<br />
trắc dịch chuyển biến dạng công trình thủy là<br />
cần thiết, có ý nghĩa cả về khoa học và thực<br />
tiễn. Trong bài báo này sẽ khảo sát một số vấn<br />
đề về thiết kế lưới quan trắc chuyển dịch ngang<br />
công trình bằng công nghệ GPS.<br />
2. Cơ sở lý thuyết<br />
2.1. Thiết kế đồ hình lưới<br />
Khi quan trắc biến dạng bằng công nghệ đo<br />
đạc mặt đất, lưới khống chế thường được thành<br />
lập theo 2 bậc là bậc lưới cơ sở và lưới quan<br />
<br />
trắc [2]. Với công nghệ GPS, do đặc điểm công<br />
nghệ trong quá trình tổ chức đo đạc và xử lý số<br />
liệu, cũng như do công nghệ GPS rất khó đảm<br />
bảo độ chính xác xây dựng lưới cơ sở khi quan<br />
trắc biến dạng, bởi vậy có thể gộp 2 bậc đó<br />
thành một bậc lưới duy nhất và như vậy lưới<br />
quan trắc biến dạng bằng công nghệ GPS là<br />
mạng lưới tự do.<br />
Khi thiết kế lưới GPS, căn cứ vào mục đích<br />
sử dụng, thường có 4 phương thức liên kết cơ<br />
bản để thành lập lưới là: liên kết điểm, liên kết<br />
cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗn hợp - cạnh điểm. Ngoài ra còn có thể liên kết hình sao, liên<br />
kết đường chuyền, liên kết chuỗi tam giác như<br />
hình vẽ (hình 1).<br />
Nếu lưới có n điểm, được đo với N máy thu<br />
và số lần đặt máy trung bình ở mỗi điểm là m<br />
thì số ca đo được tính theo công thức:<br />
n.m<br />
C<br />
(1)<br />
N<br />
Dựa theo công thức trên và điều kiện thực<br />
tế của địa hình cũng như yêu cầu kỹ thuật đối<br />
với các điểm cơ sở, các điểm quan trắc để lựa<br />
chọn vị trí và đồ hình quan trắc.<br />
<br />
Hình 1. Liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết đường chuyền và liên kết sao<br />
44<br />
<br />
2.2. Ước tính độ chính xác lưới GPS theo<br />
thuật toán bình sai tự do<br />
Khi ước tính độ chính xác lưới GPS, có thể<br />
sử dụng chiều dài cạnh Dik và góc phương vị ik<br />
được tính từ baseline như là các trị đo. Theo<br />
thuật toán bình sai tự do, bài toán ước tính lưới<br />
GPS được thực hiện theo trình tự sau [1, 2]:<br />
1- Chọn ẩn số: trong lưới GPS mặt bằng ẩn<br />
số được chọn là số hiệu chỉnh tọa độ của tất cả<br />
các điểm trong lưới<br />
x (dx1, dy1, dx2 , dy2 ...dxn , dyn )T .<br />
2- Lập ma trận hệ số (A) của hệ phương<br />
trình số hiệu chỉnh<br />
A.X L V<br />
.<br />
(2)<br />
Đối với trị đo GPS, phương trình số hiệu<br />
chỉnh được xác định theo công thức cụ thể sau:<br />
k<br />
<br />
+<br />
<br />
ik<br />
Sik<br />
<br />
i<br />
+<br />
<br />
4- Tính ma trận giả nghịch đảo<br />
Cũng như đối với mạng lưới tự do khác, ma<br />
trận nghịch đảo trong lưới GPS tự do được tính<br />
theo công thức sau:<br />
(9)<br />
R ~ (CCT R)1 TTT ,<br />
T<br />
1<br />
trong đó: T B(C B) .<br />
(10)<br />
Đối với mạng lưới GPS ma trận B có dạng [1]:<br />
1 0<br />
Bi <br />
.<br />
(11)<br />
<br />
0 1<br />
Ma trận định vị C được xác định theo quy tắc<br />
Ci=Bi với i là điểm cơ sở<br />
(12)<br />
Ci=0 với i là điểm quan trắc<br />
5- Tính toán các yếu tố sai số của mạng lưới<br />
- Sai số vị trí điểm mP . R ~ xx R ~ yy .(13)<br />
- Elip sai số: Các tham số của elip sai số<br />
gồm có: các kích thước của bán trục lớn, bán<br />
trục nhỏ, hướng của bán trục lớn [1, 2]. Bán<br />
trục lớn E và bán trục nhỏ F được tính theo<br />
công thức [4]:<br />
E <br />
<br />
Hình 2. Cạnh và phương vị đo<br />
F<br />
<br />
- Phương trình số hiệu chỉnh phương vị<br />
<br />
vik a ik x k bik yk a ik xi bik yi lik ,(3)<br />
a ik Sin ik <br />
<br />
<br />
<br />
bik Sik Cosik <br />
<br />
trong đó: <br />
<br />
<br />
.<br />
<br />
- Phương trình số hiệu chỉnh cạnh<br />
vik a ik x k bik yk a ik xi bik yi lik ,<br />
a ik Cosik <br />
<br />
.<br />
bik Sinik <br />
<br />
trong đó: <br />
<br />
<br />
(4)<br />
<br />
(5)<br />
(6)<br />
<br />
3- Lập ma trận hệ số (R) của hệ phương<br />
trình chuẩn ( R.X b 0 )<br />
R A T .P.A<br />
.<br />
(7)<br />
Trong công thức trên P là ma trận trọng số<br />
của các trị đo, thực tế giữa cạnh ngang và<br />
phương vị của mỗi baseline GPS có mối quan hệ<br />
tương quan, tuy vậy trong ước tính độ chính xác<br />
có thể coi gần đúng hai trị đo trên độc lập nhau.<br />
Trọng số của các trị đo đó được xác định trên cơ<br />
sở sai số mD và m , tính theo công thức sau [3]:<br />
m D a 2 (b.D) 2 (mm)<br />
.<br />
<br />
mD<br />
m <br />
" (" )<br />
<br />
D<br />
<br />
<br />
(8)<br />
<br />
R ~ xx R ~ yy<br />
2<br />
R<br />
<br />
~<br />
<br />
xx<br />
<br />
R ~ yy<br />
2<br />
<br />
2 <br />
(R ~ xx R ~ yy ) 2 4R ~ xy <br />
. (14)<br />
4<br />
<br />
~<br />
~<br />
2<br />
~2 <br />
(R xx R yy ) 4R xy<br />
<br />
<br />
4<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hướng bán trục lớn của elip sai số ():<br />
<br />
<br />
1<br />
2R ~ xy<br />
.<br />
Arctg ~<br />
2<br />
R xx R ~ yy<br />
<br />
(15)<br />
<br />
- Sai số chuyển dịch theo huớng<br />
Sai số vị trí của điểm quan trắc theo hướng<br />
cho trước () được tính theo công thức:<br />
(16)<br />
m E. cos2 F. sin 2 ,<br />
trong đó: E, F tương ứng là các bán trục lớn và<br />
nhỏ của Elip sai số.<br />
3. Thực nghiệm thiết kế lưới quan trắc chuyển<br />
dịch tuyến đập nhà máy thuỷ điện Ialy<br />
Để minh chứng cho khả năng ứng dụng công<br />
nghệ GPS vào mục đích quan trắc chuyển dịch<br />
ngang công trình, chúng tôi đã triển khai tính toán<br />
thiết kế mạng lưới quan trắc tuyến đập nhà máy<br />
thủy điện IALY. Trong thực tế công ty tư vấn xây<br />
dựng điện I đã xây dựng mạng lưới quan trắc dịch<br />
chuyển ngang công trình này theo công nghệ đo<br />
đạc mặt đất với đồ hình đưa ra ở hình 3. Nếu tiến<br />
hành đo đạc mạng lưới đã nêu bằng công nghệ GPS<br />
với 4 máy thu thì số ca đo tính theo công thức (1) sẽ<br />
là 14 ca đo và đồ hình lưới có dạng đưa ra ở hình 4.<br />
45<br />
<br />
Hình 3. Lưới thiết kế theo công nghệ đo đạc mặt đất<br />
<br />
Hình 4. Lưới thiết kế theo công nghệ GPS<br />
Để so sánh độ chính xác của cả hai phương<br />
án thành lập lưới, chúng tôi đã thực hiện ước tính<br />
độ chính xác theo quy trình như đã nêu ở mục 2.2.<br />
Đối với lưới mặt đất (lưới đo góc – cạnh)<br />
được thiết kế đo 19 góc với sai số trung phương<br />
đo góc m 2" , đo 61 cạnh với sai số trung<br />
phương đo cạnh mD 2mm 2ppm .<br />
Đối với mạng lưới GPS thiết kế 62 baseline<br />
có sai số trung phương đo cạnh<br />
m D a 2 (b.D) 2 (mm) , sai số trung phương đo<br />
46<br />
<br />
mD<br />
" (" ) (đối với các máy<br />
D<br />
GPS một tần số đã có ở Việt Nam thì hệ số a=5;<br />
b=1).<br />
phương vị m <br />
<br />
Từ giá trị tọa độ thiết kế, dự kiến đo cạnh<br />
và phương vị theo bảng 1. Kết quả ước tính độ<br />
chính xác lưới GPS bao gồm sai số vị trí điểm,<br />
elips sai số vị trí điểm được đưa ra trong bảng<br />
2. Kết quả ước tính độ chính xác lưới mặt đất<br />
được đưa ra trong bảng 3.<br />
<br />
Bảng 1. Ký hiệu cạnh và phương vị thiết kế<br />
TT<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
19<br />
20<br />
21<br />
22<br />
23<br />
24<br />
25<br />
26<br />
27<br />
28<br />
29<br />
30<br />
31<br />
<br />
Đ.Đầu – Đ. Cuối<br />
QT10<br />
QT9<br />
QT9<br />
QT5<br />
QT5<br />
QT10<br />
QT9<br />
QT2<br />
QT10<br />
QT2<br />
QT10<br />
QT3<br />
QT9<br />
QT3<br />
QT10<br />
QT4<br />
QT9<br />
QT4<br />
QT2<br />
QT3<br />
QT3<br />
QT4<br />
QT4<br />
QT5<br />
QT3<br />
QT5<br />
QT2<br />
QT4<br />
QT5<br />
M1<br />
QT4<br />
M1<br />
QT3<br />
M1<br />
QT2<br />
M1<br />
QT10<br />
M1<br />
QT9<br />
M1<br />
QT5<br />
M5<br />
QT4<br />
M5<br />
QT3<br />
M5<br />
QT2<br />
M5<br />
QT10<br />
M5<br />
QT9<br />
M5<br />
QT5<br />
M9<br />
QT4<br />
M9<br />
QT3<br />
M9<br />
QT2<br />
M9<br />
QT10<br />
M9<br />
<br />
Chiều dài (m)<br />
356.76<br />
1282.67<br />
1486.76<br />
696.91<br />
585.78<br />
778.31<br />
708.15<br />
1230.47<br />
1077.40<br />
366.83<br />
475.06<br />
312.33<br />
769.90<br />
824.83<br />
290.22<br />
425.76<br />
748.59<br />
1112.75<br />
1358.28<br />
1102.85<br />
422.30<br />
500.05<br />
736.51<br />
1090.02<br />
1278.78<br />
1002.75<br />
541.80<br />
557.13<br />
696.35<br />
1031.62<br />
1167.85<br />
<br />
TT<br />
32<br />
33<br />
34<br />
35<br />
36<br />
37<br />
38<br />
39<br />
40<br />
41<br />
42<br />
43<br />
44<br />
45<br />
46<br />
47<br />
48<br />
49<br />
50<br />
51<br />
52<br />
53<br />
54<br />
55<br />
56<br />
57<br />
58<br />
59<br />
60<br />
61<br />
62<br />
<br />
Đ.Đầu – Đ. Cuối<br />
QT9<br />
M9<br />
QT5<br />
M13<br />
QT4<br />
M13<br />
QT3<br />
M13<br />
QT2<br />
M13<br />
QT10<br />
M13<br />
QT9<br />
M13<br />
QT5<br />
M17<br />
QT4<br />
M17<br />
QT3<br />
M17<br />
QT2<br />
M17<br />
QT10<br />
M17<br />
QT9<br />
M17<br />
QT5<br />
M21<br />
QT4<br />
M21<br />
QT3<br />
M21<br />
QT2<br />
M21<br />
QT10<br />
M21<br />
QT9<br />
M21<br />
QT5<br />
M25<br />
QT4<br />
M25<br />
QT3<br />
M25<br />
QT2<br />
M25<br />
QT10<br />
M25<br />
QT9<br />
M25<br />
QT5<br />
M29<br />
QT4<br />
M29<br />
QT3<br />
M29<br />
QT2<br />
M29<br />
QT10<br />
M29<br />
QT9<br />
M29<br />
<br />
Chiều dài (m)<br />
877.69<br />
646.45<br />
594.32<br />
623.64<br />
933.45<br />
1027.09<br />
731.74<br />
742.84<br />
615.46<br />
510.16<br />
784.38<br />
854.52<br />
570.87<br />
798.99<br />
639.56<br />
461.08<br />
708.11<br />
766.24<br />
493.92<br />
896.48<br />
700.31<br />
419.41<br />
605.10<br />
634.44<br />
386.35<br />
1014.98<br />
816.60<br />
498.22<br />
614.84<br />
538.35<br />
267.69<br />
<br />
Bảng 2. Kết quả ước tính độ chính xác lưới GPS<br />
Số<br />
TT<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
<br />
Tên<br />
điểm<br />
M1<br />
M5<br />
M9<br />
M13<br />
M17<br />
M21<br />
M25<br />
M29<br />
QT2<br />
QT3<br />
QT4<br />
QT5<br />
QT9<br />
QT10<br />
<br />
Tọa độ thiết kế (m)<br />
X<br />
Y<br />
1575262.10<br />
806058.85<br />
1575140.08<br />
806119.44<br />
1575002.85<br />
806129.17<br />
1574865.07<br />
806080.34<br />
1574736.88<br />
805962.95<br />
1574674.36<br />
805897.97<br />
1574577.54<br />
805804.73<br />
1574458.71<br />
805807.40<br />
1574554.50<br />
805200.07<br />
1574814.61<br />
805458.74<br />
1575256.50<br />
805633.13<br />
1575472.39<br />
805858.83<br />
1574191.32<br />
805794.86<br />
1574036.44<br />
805473.48<br />
<br />
Sai số vị trí (mm)<br />
mx<br />
my<br />
mp<br />
2.3<br />
2.5<br />
3.4<br />
2.3<br />
2.4<br />
3.3<br />
2.3<br />
2.4<br />
3.3<br />
2.2<br />
2.3<br />
3.2<br />
2.2<br />
2.3<br />
3.2<br />
2.1<br />
2.3<br />
3.2<br />
2.1<br />
2.3<br />
3.1<br />
2.1<br />
2.3<br />
3.1<br />
1.5<br />
1.5<br />
2.1<br />
1.3<br />
1.5<br />
2.0<br />
1.4<br />
1.5<br />
2.0<br />
1.4<br />
1.6<br />
2.1<br />
1.3<br />
1.5<br />
2.0<br />
1.4<br />
1.5<br />
2.0<br />
<br />
Elip sai số (mm)<br />
E<br />
F<br />
º<br />
2.8<br />
1.9 130.13<br />
2.7<br />
2.0 130.34<br />
2.5<br />
2.1 129.27<br />
2.4<br />
2.1 125.22<br />
2.4<br />
2.1 115.01<br />
2.3<br />
2.1 103.76<br />
2.3<br />
2.1<br />
73.90<br />
2.4<br />
2.1<br />
64.42<br />
1.6<br />
1.4<br />
47.00<br />
1.5<br />
1.3 112.33<br />
1.5<br />
1.3 120.51<br />
1.6<br />
1.4 116.57<br />
1.5<br />
1.3 104.04<br />
1.6<br />
1.3 117.09<br />
<br />
47<br />
<br />
Bảng 3. Kết quả ước tính độ chính xác lưới mặt đất<br />
Số<br />
TT<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
<br />
Tên<br />
điểm<br />
M1<br />
M5<br />
M9<br />
M13<br />
M17<br />
M21<br />
M25<br />
M29<br />
QT2<br />
QT3<br />
QT4<br />
QT5<br />
QT9<br />
QT10<br />
<br />
Tọa độ thiết kế (m)<br />
X<br />
Y<br />
1575262.10<br />
806058.85<br />
1575140.08<br />
806119.44<br />
1575002.85<br />
806129.17<br />
1574865.07<br />
806080.34<br />
1574736.88<br />
805962.95<br />
1574674.36<br />
805897.97<br />
1574577.54<br />
805804.73<br />
1574458.71<br />
805807.40<br />
1574554.50<br />
805200.07<br />
1574814.61<br />
805458.74<br />
1575256.50<br />
805633.13<br />
1575472.39<br />
805858.83<br />
1574191.32<br />
805794.86<br />
1574036.44<br />
805473.48<br />
<br />
Sai số vị trí (mm)<br />
mx<br />
my<br />
mp<br />
2.2<br />
1.9<br />
2.9<br />
2.2<br />
2.0<br />
3.0<br />
2.2<br />
2.0<br />
3.0<br />
2.1<br />
2.1<br />
2.9<br />
1.9<br />
2.2<br />
2.9<br />
1.8<br />
2.2<br />
2.8<br />
1.7<br />
2.3<br />
2.9<br />
1.6<br />
2.4<br />
2.9<br />
1.3<br />
1.0<br />
1.7<br />
1.1<br />
1.1<br />
1.5<br />
1.2<br />
1.3<br />
1.8<br />
1.2<br />
1.6<br />
2.0<br />
0.9<br />
1.1<br />
1.4<br />
1.1<br />
1.1<br />
1.6<br />
<br />
Elip sai số (mm)<br />
E<br />
F<br />
º<br />
2.2<br />
1.9 346.79<br />
2.3<br />
2.0 351.88<br />
2.2<br />
2.0 347.45<br />
2.1<br />
2.0 125.29<br />
2.2<br />
1.9 101.31<br />
2.2<br />
1.8<br />
94.14<br />
2.3<br />
1.6<br />
84.21<br />
2.4<br />
1.6<br />
84.83<br />
1.3<br />
1.0 350.97<br />
1.1<br />
1.0 324.57<br />
1.4<br />
1.1<br />
56.47<br />
1.8<br />
0.9<br />
56.39<br />
1.2<br />
0.8 110.86<br />
1.3<br />
0.9 131.84<br />
<br />
Phân tích so sánh kết quả thiết kế lưới theo GPS có thể vận dụng được những ưu điểm nổi<br />
hai phương án đo đạc mặt đất và GPS cho thấy bật của công nghệ như cho phép lựa chọn đồ<br />
về độ chính xác tương đương nhau cả về sai số hình lưới linh hoạt, có điều kiện lựa chọn các<br />
trung phương vị trí điểm cả về elip sai số.<br />
điểm khống chế ở những vị trí ổn định, không<br />
Về tổ chức đo đạc lưới GPS có đồ hình chặt cần thông hướng, hiệu quả kinh tế cao, có thể<br />
chẽ hơn do không đòi hỏi sự thông hướng giữa thi công trong mọi điều kiện thời tiết và ở mọi<br />
các điểm, ngoài ra công nghệ GPS có ưu điểm thời điểm trong ngày.<br />
hơn hẳn lưới mặt đất là có thể thi công trong mọi<br />
điều kiện thời tiết và ở mọi thời điểm trong ngày.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
4. Kết luận<br />
1. Thông qua việc ước tính thử nghiệm cho [1]. Trần Khánh, Nghiên cứu phương pháp bình<br />
công trình IALY và một số thực nghiệm khác ở sai kết nối lưới mặt đất và lưới GPS trong trắc<br />
Việt Nam (Hòa Bình, Tuyên Quang…) chúng địa công trình. Tạp chí "Khoa học kỹ thuật Mỏtôi nhận thấy rằng sai số vị trí điểm quan trắc Địa chất", số 6, 4-2004<br />
được xác định có giá trị nằm trong khoảng từ 3- [2]. Trần Khánh, Nguyễn Quang Phúc, Quan<br />
5mm, vì vậy với công nghệ này có thể áp dụng trắc chuyển dịch và biến dạng công trình. Nhà<br />
để quan trắc chuyển dịch các tuyến đập thủy xuất bản giao thông vận tải, Hà nội -2010.<br />
điện với yêu cầu về sai số chuyển dịch ≥ ±5mm. [3]. TCXDVN 364: 2006. Tiêu chuẩn kỹ thuật<br />
2. Khi ứng dụng công nghệ GPS để thành đo và xử lý số liệu GPS trong trắc địa công<br />
lập lưới quan trắc dịch chuyển ngang có thể coi trình, Hà Nội.<br />
lưới này là lưới tự do một bậc.<br />
[4]. Markyze.Iu.I. Thuật toán và chương trình<br />
3. Khi thành lập lưới quan trắc dịch chuyển bình sai lưới trắc địa. NXB "Nhedra", Moskvangang các tuyến đập thủy điện bằng công nghệ 1988 (tiếng Nga).<br />
SUMMARY<br />
Survey technology application for establishment of GPS network monitoring direction<br />
deformation hydroelectric dam<br />
Nguyen Viet Ha, University of Mining and Geology<br />
This paper surveys the content monitoring network design horizontal transfer routes damby<br />
GPS technology. Proposed design measures, establishing a GPS network to monitorfor movement<br />
with the adjustment application algorithms freedom to design and evaluatethe accuracy of elements<br />
in the mesh.<br />
48<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
